露顶式平面钢闸门设计(总)

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1、钢结构课程设计题目：露顶式平面钢闸门设计专业：水利水水电工程 姓名：杨军飞班级：14 瑶湖一班学号：2014100034指导老师： 姚行友二O二年6月25日露顶式平面钢闸门设计一、设计资料闸门形式：露顶式平面钢闸门；孔口净宽：10.00m设计水头：5.40m结构材料：Q 235 A - F ;焊条：焊条米用 E 43型手工焊；止水橡皮：侧止水用 P 型橡皮，底止水用条形橡皮；行走支承：米用胶木滑道，压合胶木为MCS - 2 ;启闭方式：电动固定式启闭机;制造条件：金属结构制造厂制造，手工电弧焊，满足III级焊缝质量检验标准； 执行规范：水利水电工程钢闸门设计规范（SL74-1995 ）。二、闸

2、门结构的形式及布置（1）闸门尺寸的确定（见下图）。1）闸门高度：考虑到风浪产生的水位超高为02m,故闸门高度=5.54+0.2 =5.6 （m）；2）闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：Li= 10m；3）闸门的计算跨度:L = L0 + 2d = 10+2x 0.2 =10.4 （m）；（2）主梁的形式。主梁的形式应根据水头的大小和跨度的大小而定，本闸门属于中等跨度，为了方便制造和维护，决定米用实腹式组合梁。（3）主梁的布置。根据闸门的高跨比，决定米用双主梁。为使两个主梁设计水位时所受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力的合力作用线;=H/31.867,并要求下臂梁a 0.12H和a 0.

3、4。上臂梁c J计算 0.9alaIkpI一当 b/a 3 时，a = 1.4，则 t = a = 0.07akp（0.9 x 1.4 x 160现列表 1 进行计算。表1面板厚度的估算区格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)j(切t(mm)I150025901.670.5680.0060.0616.22II95025902.730.5000.0190.1006.53III80025903.240.5000.0280.1206.55IV65025903.980.5000.0370.1346.75V58025904.470.7500.0440.1826.63VI50025905.180.7

4、500.0500.1946.79注1、面板边长a、b都从面板宇梁格的连接焊缝算起，主梁上翼缘宽为140mm (详见后面)2、区格I、VI中的系数k由三边固定一边简支板查得。根据表1计算，选用面板厚度 t = 8 mm。(2) 面板与梁格的连接计算。面板局部绕曲时产生的垂直于焊缝长度方向 的横向拉力P按式P二0.07Q max计算，则P 二 0.07Q max =0.07 x 8 x 160=89.6(N/mm) 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力T二VS/2I。=333500x 580x8x 262/2x 1003410000=202 (N/mm)由式 h P2 + T2/(0.7仁=2.

5、7 (mm)ff面板与梁格连接焊缝取其最小厚度6mm。四、水平次梁、顶梁和底梁的设计(1)荷载与内力计算。水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁a + a 上下 作用在它们上面的水平压力可按式q = p计算。2列 表2 计算后得表2水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁轴线处水压强度 p In / m 2）梁间距（m）a + a上 下2(m)a + a上 下q = p2(kN/m)214.43上主梁24.5433.6540.46下主梁47.4q=29.90kN/mD根据表2计算，水平次梁计算荷载取30.10kN/m,水平次梁为四跨连续梁，跨度为2.35m （如上图）。水平次梁弯曲时的边跨中

6、弯矩为M 次中=0.077q0.077x29.90x2.352=12.71（kNm）支座B处的弯矩为M 次 B=0.107ql2=0.107x 29.90x 2.352=17.67(kNm)(2) 截面选择。W=M/ = 176. 7x 102 x 103/160=1104 3 75mm3)考虑到利用面板作为次梁截面的一部分，初选 16 a 由附表 6.3 查的：A=2569mm 3； Wx=141400mm3； Ix=12727000mm4； b=68mm； d=7mm；面板参加次梁翼缘工作的有效宽度B q + 60t = 68 + 60 x 8 = 548( mm)B = s b(对跨间正

7、弯矩段)1B = (对支座负弯矩段)2(其中b =(b + b )/2 )计算，然后取其其中较小值。12按5号梁计算，设梁间距b =(b + b )/2 = (720+770)/2=745(mm)。确定式中12面板的有效宽度系数g时，需要知道梁弯矩零点之间的间距l与梁间距b比值。0对于第一跨中正弯矩段取l =0.8L=1880mm。对于支座负弯矩段取l = 0.4L=940mm。00表3面板有效宽度系数 g1 和 g 2L / b00.51.01.52.02.5345681012g10.200.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.00g20.160.

8、300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92根据L /b查表3,得0对于L /b = 1880/700= 2.686，得g = 0.78,则 B =0.78*745=581; 01对于 L /b = 940/700 = 1.262，得g = 0.364，则 B =0.364*745二 271.2 01对第一跨中选用B=548mm，则水平次梁组合截面面积(如图)为对于第一跨中选用B=548mm，则水平次梁组合截面面积为A = 2569 + 548x8 = 6953( mm 2)组合截面形心到钢槽中心线的距离为548 x8x 94e = 59( mm)695

9、3跨中组合截面的惯性矩及截面模量为I =127270000+2569x 592+548 x 8 x 352 =2704000( mm 4) 次中W 二 27040000 181500( mm 2)min149对支座B =300mm，则组合截面面积为A =2569+300x8=4969 (mm21CCLl.i1i111111匚ip oj !i11J厂；311斗弓组合截面形心到槽钢中心线 的距离为e=8+83-46=45 (mm)支座处组合截面的惯性矩 及截面模量为I 次 B=12727000+2569 x 45?+300x 8 x492=23691625 (mm4)Wmin=23691625/1

10、35=175493 (mm3)(3) 水平次梁的强度验算。 由支座B (图3)处弯矩最大， 而截面模量最小，故只需验算支 座B处的截面的抗弯强度，即 次二M次B/Wmin=17790000/175493=101.4160N/mm2 说明水平次梁选用 18a 满足要求。轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。(4) 水平次梁的挠度验算。受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边 跨，由于水平次梁在B支座处截面的弯矩已经求得M次B =26.26kNm,则边跨 挠度可近似地计算为v/l=5ql3 /384EI 一次 M 次 Bl/16 EI 次=5 x 30.10 x 2350 3 /384x 20600

11、0x 27040000-17190x 2350/16x 2060000x 27040000=0.000912【v/l】 =1/250=0.004故水平次梁选用 18a 满足强度和刚度要求。(5) 顶梁和底梁。顶梁所受的荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁的刚度，所以也米用 18a。 底梁也米用 18a。五、主梁设计（1）设计资料。1）主梁跨度（图5）；净跨（孔口宽度）L0二10（m），计算跨度L二10.4m，荷 载跨度L = 10m ；2）主梁荷载：；q=74.11kN/m3）横向隔板间距：2.60 ；4）主梁容许挠度L= L/600。&T1S3.LH1P4 玉專tL4n7十（

12、2）主梁设计。主梁设计包括：截面选择；梁高改变；翼缘焊缝；腹板局部稳定验算；面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。1) 截面选择。 弯矩与剪力。弯矩与剪力计算如下Mmax=747.11 x 10.0x (10.4/2-10/4) /2=10085 kN/mVmax=74.11 x 10.0/2=370.55kN 需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力LL160N/mm2 ,考虑钢 闸门自重应力引起的附加应力作用，取容许应力为LL 0.9 x 160二144N/mm2 , 则需要的截面模量为W=Mmax/ =100850/14.4=7000 (cm3) 腹板的高度选择。按高度要求的最小高梁

13、(变截面梁)为hmin=0.96x0.23x144000x10400/20600000x(1/600)=87.1(cm)经济梁高h =3.1 x5/5674.032=98.4 (cm)ec由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比h 小,但不小于h 。现选用腹板高度h。=90cmec m in腹板厚度选择。按经验公式计算：t =Jh/11 = x 90/11二0.86cm，选用 t = 1.0cm。3翼缘截面选择。下翼缘选用=2.0cm (符合钢板规格)需要选用b = 32cm(在1h h=40 20cm 之间)。2.55上翼缘的部分截面面积可利用面板， 故只需设置较小的

14、上翼缘板同面板相连，选 用=2.0cm， q = 12cm。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为B=b1+60 6 =10+60 x 0.8=58(cm)上翼缘的面积为A1=10 x 2+58 x 0.8=66.4(cm2) 弯应力强度验算。主梁跨中截面的几何特性见表4。截面形心矩为Y1二刀Ayl/刀A=8839/200.4=44.1(cm)截面惯性矩I=t ho3/12+EAy2=903 x 1/12+231650=292400 (cm4)截面模量：上翼缘顶边 Wmin=I/y1=292400/44.1=6630(cm3)下翼缘底边 Wmin=I/y2=292400/49.9=5860(cm3)

15、弯应力 二Mmax/Wmin=81706/5860=13.9 (kN/cm2) 0.9 x 16=14.4(kN/cm2) (安全) 整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按设计规 范规定，可不必验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁 的挠度不必验算。2) 截面改变。因为梁跨度较大，为减小门槽宽度和支承边梁高度(节省钢材)，有必要将主梁支承端腹板高度减小为h0 = 0.6化=54cm (如图)部位截面尺寸Cm x cm)截面面积A(m 2)各形心离面板表面距离y (cm)Ay Cm 3)各形心离中和轴距离y = y -yAy 2 (mJ面板 部 分58 x 0.8

16、46.40.418.6-43.788610上缘板10 x 1.6161.625.6-42.528900腹板90 x 19047.843023.71232下30 x 1.64893.64492.848.5112908缘合计200.48839231650表4 主梁跨中截面的几何特性梁高开始改变的位置去载邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧（如图），离开支承端的距离为235 - 10 = 225 cm。2600og剪切强度验算：考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字形截面来验算剪应力的强度。主梁支承端截面的几何性质见表5 。表5 主梁端部截面的几何特性部位截面尺寸(cm

17、 x cm)A(Cm 2)y (cm)AyCm 3)y = y - y (cm)Ay 2 (cm 4 )面板部分58 X 0.846.40.418.6-26.231851上翼缘板10 x 1.6161.625.6-25.010000腹板54 x 15429.41587.62.8423.36下翼缘30 x 1.64857.22745.630.644945合计164.4437787219截面形心距y 1=4377/164.4=26.6(cm)截面惯性矩I。=1X 543/12+87219=100341(cm4)截面下半部对中和轴的面积矩S=48 x 30.6+29.8 x 1 x 29.8/2=1

18、913(cm2)剪应力t 二VmaxS/I。t =333.5x2294/100341 x l=6.39(kN/cm2)T=9.5(kN/cm2)3) 翼缘焊缝。翼缘焊缝厚度(焊脚尺寸) hf 按受力最大的支承端截面计算。最大剪应力V二333.5kN，截面惯性矩I = 100341cm4。max 0上翼缘对中和轴的面积矩S1=46.4x26.2+16x25=1615.7(cm3)下翼缘对中和轴的面积矩S2=48 x 30.6=1468.8 (cm3) 1.5pt = 1.20 = 6.7(cm)全梁的上、下翼缘焊缝都采用hf = 8mm4) 腹板的加劲肋和局部稳定验算。加劲肋的布置：因为0 =冀

19、=90 80，t 1.0故需设置横向加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。因闸门上已布置横向隔板可兼 作横向加劲肋，其间距a = 2350。腹板区格划分如(图8)所示。梁高与弯矩都较大的区格II可按式G / Q+G代+a / Q 1验算：crcrc ccr区格II截面的平均剪应力VII左=333.5-74.11 x (4.52.35)=174.2(kN) VII右=0m= VII左+ VII右/21 h。=174.2/2x90x 1=0.97 (kN/cm2) =9.7 (N/mm2)区格II左边及右边截面上的弯矩分别为M =333.5 x2.35-74.11 x (4.5-2.35) 2/2=61

20、2(KNm )ii左M = M =817.06KN mII右max区格II的平均弯矩为M = ( M + M ) /2=612+817.02/2=714.53(KNm )iiii左ii右区格II的平距弯应力为b = M y /1 =714.53 x 417000000/2924000000=101.9 (N/mm2)I I 0计算bcr/177：f /235 =90/1.0/177x1=0.511.0 ，则 cr九=h /1 /41 x J5.34 + 4(h / a)2、f /235 =1.0 s 0 w*0y则t =1-0.59(九0.8)t =839.4N/mm2crsb =0c将以上数

21、据代入公式2crlTcrb+c-bccr 1 有(101.9/160 ) 3 +9.7/83.80）=0.421.0（这里无局部压应力）。满足局稳要求，故在横隔板之间（区格II）不必增设横向加劲肋。再从剪力最大的区格I来考虑；该区格的腹板平均高度ho = （90+54） /2=72cm,因h 11 = 72,不必验算,00 o故在梁高减小的区格I内也不必另设横向加劲肋。b = ：+b 2 _b(b+bzhmymyOxmy mxb = k pa2 /12 )验算其长边中点的折算应力。 my y5）面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。从上述的面板计算可 见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区

22、格IV所需要的板厚较大，这意味着该 区格的长边中点应力也较大，所以选取区格IV（图2）按式 l.lab（其中 b = pb ，Oxmxmy面板区格IV在长边中点的局部弯曲应力为b =kpa2/l2=0.5x0.036x7202/82=145.8N/mm2myb = |ib =0.3 x 145.8=43.7(N/ m2) mymy对应于面板区格IV在长边中点的主梁弯矩（图5）和弯应力为M=74.1 x 4.5 x 3.5-74.1 x 3.32/2=764KN mb =M/W=764x106/6.63x106=115 N/mm2 0x面板区格IV的长边中点的折算应力为b = ;b2 + (b

23、+b )2-b (b +b ) =192N/mm2 1.1 ab =246.4 N/mm2 zhmymx 0xmy mx 0x上式中b 、b和b的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。 my mx 0 x故面板厚度选用8mm,满足强度要求。六、横隔板设计（1）荷载和内力计算。横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受水平次梁、 顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以 三角形分布的水压力来代替（如图），并且把横隔板作为支撑在主梁上的双悬臂 梁。则每片横隔板在上悬臂的最大弯矩为M=2.5 x 24.5/2 x 2.34 x 2.5/3=59.7 KN m（2）横隔板截面选择和

24、强度计算。其腹板选用与主梁腹板同高，米用 900mmx8mm,上翼缘利用面板，下翼缘采用200mmx8mm的扁钢。上翼缘可利用面板宽度按B = g b 确定，其中 b=2340mm，按l /b= 2x2500/2340=2.137，从表 320查得有效宽度系数 =0.51，则 B=0.51 x 2340=1193mm，取 B=1122mm。2计算如图9 所示的截面几何特性。截面形心到腹板中心线的距离为e=（1122x8x454-200x8x454）/（1122x8+200x8+900x8）=188.4mm截面惯矩为I =8 x 9003/12+8 x 9 00 x 188 . 42 +8 x

25、200 x 642.42 +8 x 1122 x 265 . 6? =203504 mm4截面模量为W =20 3 5 04 x 104 /646. 4=3 1 5 0 0 2 2 mm3min验算弯应力为b =M/ W =56.1 x 106 /3 1 5 0 0 22=17 . 8 N/ mm2 Vminb 由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不 必验算。横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度 h = 6mm。七、纵向连接系设计1）荷载和内力计算。纵向连接系承受闸门自重。露顶式平面刚闸门门叶自重G按附录10中的式G = K K K H 1.43Bo.88 x9.8kN计算zcgG=K K K H1.

26、43B0.88 x9.8kN=0.81x 1.0x0.13x 5.51.43 x 90.88 x9.8=81.7（kN） zcg下游纵向连接系承受0.4G=0.4x81.7=32.7kN 纵向连接系视作简支的平面桁架，其桁架腹板杆布置如图10所示，其结点 荷载为32.68/4=8.17kN八、边梁设计边梁的截面形式米用单腹式，（见下图），边梁的截面尺寸按构造要求确定， 即截面高度与主梁端高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装压 合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于300mm。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应 力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。（1）

27、荷载和内力计算。在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块。其布置尺寸 见下图。HlinRP./I_、LT2,34n2 3.5kN3G3.5.N0 55n/L -.l1）水平荷载。主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶、底梁传来 的水平荷载。为了简化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁。每个主梁作用于 边梁的荷载R = 333.5kN。2）竖向荷载。有闸门自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、启吊力等。 上滑块所受的压力R 1=333.5 2.34/2.89=270KN下滑块所受的压力R =741-270=471kN2最大弯矩M =270 x 0.7=189kN mmax最大剪力V =R =270KNmax

28、1最大轴向力为作用在一个边梁上的启吊力，估计为200kN (详细计算见后 面)。在最大弯矩作用截面上的轴向力，等于启吊力减去上滑块的摩阻力，该轴 向力 N=200-R f =200-270x 0.12=167.6kN 。(2) 边梁的强度验算。截面面积A=540x10+2x300x14=13800mm2面积矩S =14x300x277+10x270x135=1527900mm3max截面惯性矩I =10 x 5403 /12+2 x 3 00x 14 x 2 7 72 =7 7 5 7 4 3 6 00mm4截面模量W=775743600/284=2731500mm3截面边缘最大应力验算b =

29、N/A+ M /W=167.6 x 103 /13800+189 x 106 /2731500=12.14+69.2=81.34N/ max maxmm2 V0.8b =0.8*160=128 N/mm2腹板最大应力验算t = V S / It =2 7 00 x 102 x 15 2 7 9 00/ ( 7 7 5 7 4 3 6 00 x 10 ) =53N/ mm2 V max max max w0.8t =0.8x95=76 N/mm2腹板与下翼缘连接处折算应力验算b = N/A+M /Wx y/y=12.14+69.2x270/284=77.9N/mm2maxt =V S /It =

30、270x103 x300x14x277/77.57436x107 x10=40.5N/mmmax i wb = V 2+3t2 =104.8 N/mm2 V0.8b =0.8*160=128 N/mm22h以上验算均满足强度要求。24九、行走支承设计胶木滑道计算：滑块的位置如 图 12 所示，下滑块受力最大，其值为534kN。设滑块长度为350mm，则滑块单位长度的承压力为q=4 1 4 x 102 /3 5 0=1183N/mm根据 表6查得轨顶狐面半径R =150mm，轨头设计宽度为b =35mm。表6钢轨工作表面宽度与圆弧半径支承压力q(N/mm)10001000200020003000

31、30004000轨道圆弧半径R(mm)100150200300轨道设计宽度b(mm)25354050注b值不得与滑块中间的一条胶木同宽。胶木滑道与轨顶弧面的接触应力按式a二104 ；生!进行验算max Rja =104：q / R =292 N/mm2 Wa=500 N/ mm2maxj选定胶木高30mm，宽120mm，长350mm。十、胶木滑块轨道设计V二 S1 =(1) 确定轨道底板宽度。轨道底板宽度按混凝土承压强度确定。根据C20 混凝土附表9.2查得混凝土的容许承压应力为L L 7N/mm2，则所需的轨道底h板宽度为B =q/a =1183/7=169mm (取B =240mm)h h

32、 h故轨道底面压应力为a =1183/240=4.9 N/mm2h(2) 确定轨道底板厚度。轨道底板厚度5按其弯曲强度确定。轨道底板的 最大弯应力为24c = 3 lah t 2式中轨道底板的悬臂长度c = 82.5mm,对于Q235钢，查得L L100N/mm2。故所需轨道底板厚度为t=c2 /a =39. 3mm （取 t=50mm）h十一、闸门启闭力和吊座计算（1）启门力按式 T 二 1.2（T + T ）+ n G + P + G + Wq （其中 P 二 pD B） 启zd zs Gx j sx2计算其中闸门自重G=81.7kN滑道摩阻力T =fp=0.12 x 1482=177.8

33、4kNzd止水摩阻力T =2fbHPzs因为橡皮止水与钢板间摩擦系数f=0.65橡皮止水受压宽度取为b=0.06m每边侧止水受水压长度H=5.5m侧止水平均压强P=26.95 kN/m2故 T =2 x 0.65 x 0.06 x 5.5 x 26.95=11.6knzs下吸力P底止水橡皮采用I11016型，其规格为宽16mm、长110mm。底 x止水沿门跨长9.4m。根据水利水电工程钢闸门设计规范启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力为P =20x9.4x0.016=3.0kNx故闸门启门力为T =1.1x81.7+1.2x（177.84+11.6）+3.0=320KN

34、启T =1.2（T +T ）-0.9G闭zd zszd ZS G(2)闭门力按式T二1.2(T + T )-n G + P计算= 1.2x (177.84+11.6) -0.9x81.7=154kN显然仅靠闸门自重是不能关闭闸门的。由于该溢洪道闸门孔口较多，若把 闸门行走支承改为滚轮，则边梁需由单腹式改为双腹式，加上增设滚轮等设备， 则总造价增加较多。为此，应考虑采用一个重量为200KN的加载梁，在关闭时可 以一次对需要关闭的闸门加载下压关闭。(3) 吊轴和吊耳板验算1)吊轴。采用Q235钢，查得LL 65kN/mm2，采用双吊点，每边启吊力为P=1.2xT /2=1.2x320/2=192K

35、N吊轴每边剪力V=p/2=192/2=96kN需要吊轴截面积A=v/t =96x 103/65=1477mm2又 A二兀 d2 / 4=0.785 d2故吊轴直径d三 ：A/ 0.785 =43.4mm (取 d=80mm)2）吊耳板强度验算。按局部紧接承压条件，吊耳板需要厚度按式ocj=N dt0Cj 十算查的Q235钢的L 80/mm2,cjt=p/do =190x 103/80x80=30mmcj因此在边梁腹板上端部分的两侧各焊一块厚度为20mm的轴承板。轴承板采 用圆形，其直径取为3d=3x80=240mm。吊耳孔壁拉应力按式o =o竺H 0计算K Cj R 2 r 2 ko = o

36、R 2 + r2 / R 2 - r2 W0.8 o k cj k式中o =p/td=192x 103 /40x80=60N/mm2，吊耳板半径 R=120mm；轴孔半 cj径r=40mm ；又查附表1.7得Io = 120/mm2，所以孔壁拉应力Ko =60x (1202 + 402/1202 402) =75V0.8x 120=96 N/mm2k故满足要求。（2）斜杆截面计算。斜杆承受做大拉力N = 17.35kN,同时考虑闸门偶然 扭曲时可能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同，即Xlk=200。选用单角钢L100x&由表附表6.4查得截面面积A=15.6cm2=1560mm2回转半径i =1.98cm=19.8mmy0斜杆计算长度l =0.9x V2.342 3+2.352+0.362=3.00m0长细比九=l / i =3.00x 103/19.8=152V九=2000 y 0验算拉杆强度o =17 . 35x 103/15 60=11.1V0.85o = 133 N/mm2考虑到单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行计算。（3）斜杆与结点板的连接计算（略）。